Оконное стекло - это главным образом диоксид кремния (Si02), компонент кварца и кварцевого песка, он же кремнезем. Кремнезем чрезвычайно широко распространен в природе, он является основой земной коры.
Это твердое, прозрачное, устойчивое к агрессивным химическим средам вещество. Кроме того, это лучший в мире стеклообразующий материал. Хороший стеклообразующий материал должен плохо образовывать зародышевые кристаллы и препятствовать их быстрому росту.
Кремнезем обладает исключительно высокой вязкостью при температуре замерзания, что делает его отличным стеклообразующим материалом, который легко превратить в кварцевое стекло, или стекловидный кварц.
Структура кремнезема держится за счет ковалентных связей, точно как в жидкости. Ковалентная связь образуется между двумя атомами, которые делят меж собой общую пару электронов. В результате такого обобществления избыточный отрицательный заряд заключен между положительно заряженными ядрами, поэтому электростатическая потенциальная энергия атомов уменьшается.
Кроме того, стоячие волны делокализованных электронов распределяются на оба атома, благодаря чему уменьшается кинетическая энергия электронов. В результате “расползания" волны ее длина увеличивается, а увеличение длины волны электрона, как и длины волны фотона, приводит к уменьшению энергии.
Ковалентные связи имеют четкую ориентацию. Каждый атом кремния в кремнеземе образует ковалентные связи с четырьмя атомами кислорода, которые расположены примерно в углах тетраэдра. Каждый атом кислорода в кремнеземе образует ковалентные связи с двумя атомами кремния, расположенными в двух углах тетраэдра.
В итоге складывается решетка с замысловатым рисунком, где каждый атом кислорода служит мостиком между двумя ближайшими атомами кремния. Из-за способности оксида кремния формировать такие цепочки его называют структурообразователем.
В кристаллическом кремнеземе образуется строго упорядоченная трехмерная решетка, которую трудно увидеть со всех сторон. Чтобы понять, как она устроена, давайте рассмотрим плоскую решетку с аналогичными параметрами.
В упрощенной модели каждый атом кремния связан только с тремя атомами кислорода, которые находятся в углах равностороннего треугольника. Каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния, расположенными по разные стороны от него. Даже эта сильно упрощенная картина дает представление о том, насколько сложна и стройна структура кристалла кварца. Зная позиции двух-трех атомов в решетке, вы можете предсказать, где будут располагаться все остальные.
Если вы расплавите кремнезем, ковалентные связи между атомами сохранятся, но партнеры будут постоянно меняться. Вместо строго упорядоченной решетки образуется запутанная сеть взаимосвязанных колец. Количество соседей у атомов кремния и кислорода не изменится, но число атомов в кольце может быть уже другим.
Единожды нарушенный порядок кристаллической решетки кремнезема восстановить уже вряд ли удастся. Ажурная структура нового жидкого вещества довольно стабильна, а атомам неведомо, много или мало звеньев в том или ином кольце. Более того, структура жидкого кремнезема по-прежнему удерживается ковалентными связями, которые ограничивают перемещение атомов и обуславливают очень высокую вязкость жидкости.
Таким образом, кремнезем является идеальным стеклообразующим веществом, способным при быстром понижении температуры переохлаждаться и переходить в стеклообразное состояние.
Это твердое, прозрачное, устойчивое к агрессивным химическим средам вещество. Кроме того, это лучший в мире стеклообразующий материал. Хороший стеклообразующий материал должен плохо образовывать зародышевые кристаллы и препятствовать их быстрому росту.
Кремнезем обладает исключительно высокой вязкостью при температуре замерзания, что делает его отличным стеклообразующим материалом, который легко превратить в кварцевое стекло, или стекловидный кварц.
Структура кремнезема держится за счет ковалентных связей, точно как в жидкости. Ковалентная связь образуется между двумя атомами, которые делят меж собой общую пару электронов. В результате такого обобществления избыточный отрицательный заряд заключен между положительно заряженными ядрами, поэтому электростатическая потенциальная энергия атомов уменьшается.
Кроме того, стоячие волны делокализованных электронов распределяются на оба атома, благодаря чему уменьшается кинетическая энергия электронов. В результате “расползания" волны ее длина увеличивается, а увеличение длины волны электрона, как и длины волны фотона, приводит к уменьшению энергии.
Ковалентные связи имеют четкую ориентацию. Каждый атом кремния в кремнеземе образует ковалентные связи с четырьмя атомами кислорода, которые расположены примерно в углах тетраэдра. Каждый атом кислорода в кремнеземе образует ковалентные связи с двумя атомами кремния, расположенными в двух углах тетраэдра.
В итоге складывается решетка с замысловатым рисунком, где каждый атом кислорода служит мостиком между двумя ближайшими атомами кремния. Из-за способности оксида кремния формировать такие цепочки его называют структурообразователем.
В кристаллическом кремнеземе образуется строго упорядоченная трехмерная решетка, которую трудно увидеть со всех сторон. Чтобы понять, как она устроена, давайте рассмотрим плоскую решетку с аналогичными параметрами.
В упрощенной модели каждый атом кремния связан только с тремя атомами кислорода, которые находятся в углах равностороннего треугольника. Каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния, расположенными по разные стороны от него. Даже эта сильно упрощенная картина дает представление о том, насколько сложна и стройна структура кристалла кварца. Зная позиции двух-трех атомов в решетке, вы можете предсказать, где будут располагаться все остальные.
Если вы расплавите кремнезем, ковалентные связи между атомами сохранятся, но партнеры будут постоянно меняться. Вместо строго упорядоченной решетки образуется запутанная сеть взаимосвязанных колец. Количество соседей у атомов кремния и кислорода не изменится, но число атомов в кольце может быть уже другим.
Единожды нарушенный порядок кристаллической решетки кремнезема восстановить уже вряд ли удастся. Ажурная структура нового жидкого вещества довольно стабильна, а атомам неведомо, много или мало звеньев в том или ином кольце. Более того, структура жидкого кремнезема по-прежнему удерживается ковалентными связями, которые ограничивают перемещение атомов и обуславливают очень высокую вязкость жидкости.
Таким образом, кремнезем является идеальным стеклообразующим веществом, способным при быстром понижении температуры переохлаждаться и переходить в стеклообразное состояние.